在洗入、洗出期间改变系统操作的对比度增强超声成像的制作方法

1.本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体地涉及在改变超声系统操作的情况下的造影剂洗入和洗出的超声成像。


背景技术：

2.常常通过使用造影剂来辅助使用超声对针对疑似癌性病理的血流进行成像。超声造影剂是被注入到血流中的微泡的溶液。微泡是高度回声的，其返回其容易检测到并突出显示血流区域的强回波信号。此外，来自微泡的回波信号包含显著的谐波频率内容，使得微泡回波信号能够容易地与从组织返回的信号分开。在造影剂注入(常常以团注的形式)开始之后，血流中的造影剂开始到达身体中的感兴趣区域(roi)，并且易于辨别，因为造影剂的持续到达增加了roi中的试剂的浓度，首先在更大、更快流动的血管中，并且然后在周围组织的微脉管系统中。这是对比度成像流程的所谓的“洗入”阶段。此后，当造影剂团经过roi并由肺滤出时，造影剂的浓度下降。这是流程的所谓的“洗出”阶段。通过观察和测量阶段的时间和造影剂积聚的强度，临床医生能够区分癌组织和正常组织的血流特性。
3.癌性病变常常由馈送癌性病变的血管的形成特征。这些血管的功能由相对显著的血流和在洗入阶段期间造影剂的早期到达标记。此后，当造影剂在洗出阶段期间在更大血管中开始下降时，造影剂将照亮周围的实质。将期望能够控制超声系统以使用信号和图像处理改变，其被特别定制以增强在造影剂成像流程的不同阶段期间对这些不同造影剂行为的检测。
4.受益于造影剂图像增强的身体的主要区域之一是肝脏。已经发现乙型肝炎和丙型肝炎患者处于形成原发性肝癌、肝细胞癌(hcc)的增加风险中。由于丙型肝炎在20世纪80年代早期通过输血被患者感染的发现，仍然存在大量丙型肝炎患者需要定期检查hcc的发作，因为病变在其早期阶段得到最好的处置。该疾病的通常进展是从肝炎到肝硬化到hcc。用于肝脏疾病进展的易于使用的监测技术将广泛应用于帮助这种严重疾病的早期检测。
5.由于肝脏病变与其他癌症一样在早期检测到时被最有效地处置，因此应当针对这些疾病的症状频繁监测高风险患者。但是在其早期阶段，肝脏病变由于其小尺寸而常常难以通过常规诊断成像检测到。因此，临床医生常常实行其诊断以寻找病变正在形成的其他症状。这些症状之一是到肝脏的血流的改变。肝脏具有独特的血液供应网络。到肝脏的新鲜血液的主要来源是来自肝动脉的动脉流入。但是肝脏具有次级血液供应，腹部中的门静脉。作为动脉和静脉两者，这些供应源功能不同。来自肝动脉的脉动血流像其他动脉血流一样在心脏收缩后不久发生，并且血液供应直接来自心脏。来自门静脉的血液的流入发生在心动周期的后期，并且包含已经被肺过滤的血液。已经发现，形成以向病变供血的血管网络通常是动脉的，而供应到正常实质的血液通常是静脉的。因此，来自这两个来源的血流的相对定时和量，如果这可以单独区分，则可以导致有效的病变诊断。可以区分这些不同血流的一种技术是利用微泡造影剂的超声对比度成像。在典型的流程中，利用造影剂的团注或利用试剂的连续注入来对对象进行注入。在团注之后，肝脏中的肿瘤将“点亮”，因为其被注入有
来自肝动脉血液供应的造影剂的到达。当造影剂团在经过肺之后通过门静脉进入肝脏时，肝脏中的正常组织在稍后的时间点亮。在该稍后时间，肿瘤将表现为与周围正常组织相似或比其更不明亮。由于这些血流状况在相对于造影剂注入的开始的不同时间发生，并且由一个时间处的动脉血流和另一时间处的静脉血流表征，因此将再次期望定制超声系统的操作，使得它被优化以在其在造影剂阶段期间发生时最好地检测这些不同的血流。


技术实现要素：

6.根据本发明的原理，描述了一种超声系统，其在造影剂洗入、洗出期间自动改变系统操作，以优化用于在对比度成像流程期间对血液和对比度流的不同状态进行成像的系统。计时器跟踪从注入的开始或试剂到达感兴趣区域起的时间，并且在流程期间调用系统操作的一个或多个变化。在可以针对流程的不同部分优化的操作之中的是超声发射和接收信号处理以及图像处理。该过程可以是全自动的，使得在不需要由用户进行控制操纵的情况下发生系统操作的改变。在备选实施例中，用户可以通过例如观察时间-强度曲线的峰来决定何时发生洗入、洗出转变，并且致动同时改变多个发射/接收参数的控件。
附图说明
7.在附图中：
8.图1以框图形式图示了根据本发明的原理构造的超声诊断成像系统。
9.图2图示了用于在对比度增强成像流程期间改变图像处理中的基波和谐波频率分量的包括的方法。
10.图3图示了用于在对比度增强成像流程期间改变流速灵敏度和图像噪声降低的方法。
11.图4图示了用于在对比度增强成像流程期间改变超声脉冲发射频率的方法。
12.图5图示了用于在对比度增强成像流程期间改变超声发射脉冲长度的方法。
13.图6图示了用于在对比度增强成像流程期间改变显示的图像帧速率的方法。
具体实施方式
14.首先参考图1，以框图形式示出了根据本发明的原理构造的超声系统。超声探头100包括发射超声脉冲并接收超声回波信号的超声换能器元件的阵列102。阵列可以是用于二维成像的一维线性或弯曲阵列，或者可以是用于电子束转向和二维或三维中的聚焦的换能器元件的二维矩阵。阵列102中的超声换能器元件通过其在发射控制器28的控制下的定时致动来发射超声能量波束，并且接收响应于每个发射而返回的回波。来自发射的超声能量的回波由阵列102的换能器元件接收，其生成回波信号，当系统使用数字波束形成器30时，该回波信号通过发射/接收(t/r)开关22进行耦合并由模数转换器进行数字化。备选地，可以使用模拟波束形成器。通过用户操纵用户控制面板20的控件(诸如按键、按钮和轨迹球或计算机鼠标)来实现对超声系统的控制和对用于成像的各种控制设置(例如，探头选择和roi(感兴趣区域)描绘)的控制，用户控制面板20耦合到超声系统的各种电路和处理器。在图示的系统中，用户控制被耦合为将用户输入提供到发射控制器28、波束形成器30、信号处理器24和对比度图像处理器38。
15.来自阵列102的换能器元件的回波信号样本由波束形成器30延迟并求和，以形成沿着针对图像的扫描线方向的相干回波信号。然后由信号处理器24对数字相干回波信号进行滤波，信号处理器24还可以如通过空间或频率复合或持续性处理来执行降噪。信号处理器还可以将相干回波信号的频带移位到更低或基带频率范围。例如，信号处理器可以如美国专利us 5833613(averkiou等人)所示的那样进行配置。当如多普勒处理的情况那样需要相位信息时，也可以对回波信号执行正交(i和q)解调。在该实施方式中，以频率fo为中心的发射频带和接收器频带被个体地控制，使得波束形成器30自由接收与发射频带的频带不同的频带，诸如包括频率2fo周围的谐波频带的频带。
16.经波束形成和处理的相干回波信号被耦合到非线性信号分离器32。非线性信号分离器能够利用高通滤波器分离二次谐波回波信号，但是优选地，其通过脉冲反转技术分离从造影剂微泡返回的回波的谐波频率，其中，由多个不同相位(反转)的脉冲到图像位置的传输产生的回波信号被相加地组合以消除基波信号分量并增强谐波分量，从而产生谐波频带2fo中的回波信号。如美国专利us5577505(brock-fisher等人)中所描述的，谐波信号可以备选地通过调幅脉冲反转来分离。相同的回波信号被相减地组合以产生基频频带fo中的回波信号。例如，在美国专利us 6186950(averkiou等人)和美国专利us 5706819(hwang等人)中描述了优选的脉冲反转技术。
17.来自造影剂(例如，微泡)的谐波回波信号被耦合到对比度图像处理器38。造影剂常常被用于更清楚地描绘血管或者执行对组织的微脉管系统的灌注研究，如美国专利us 6692438(skyba等人)中所描述的。在图1所示的实施方式中，来自造影剂的回波被用于产生对比度图像和来自图像场中的选定的roi(个体像素位置或像素组)的时间-强度曲线(tic)。对于参数对比度图像，3乘3像素组对于从其形成时间-强度曲线的像素区是优选的。对比度图像处理器通过来自图像场中的每个点的谐波频率回波的幅度(或包络)检测来产生解剖对比度图像。当回波被正交解调时这样做的一种方式是以(i2 q2)
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的形式计算每个像素位置处的信号幅度。通过扫描转换将这些对比度强度信号映射为期望的显示格式，所述扫描转换将样本从r-θ坐标转换为笛卡尔坐标(x，y)，以显示空间定义的图像。
18.基频回波信号被耦合到b模式处理器36，b模式处理器36产生标准b模式组织图像。b模式处理器以与对比度图像处理器相同的方式来执行，但是在基频回波上进行操作。回波信号是检测到的幅度(包络)并且被扫描转换以产生图像场中的空间描绘的组织图像。对比度图像和b模式图像被耦合到显示处理器40，显示处理器40执行在图像显示器42上显示图像所需的处理。这可以包括同时并排显示两幅图像。其还可以包括在b模式图像上叠加灌注参数颜色，使得相对于组织结构示出灌注参数，其中，实现参数的计算的造影剂被定位。
19.从造影剂微泡返回的谐波频率信号也可以用于通过形成造影剂洗入和洗出的时间-强度曲线来测量造影剂洗入和洗出。时间-强度曲线由tic处理器34针对对比度图像中的每个点(像素)形成。使用在造影剂的洗入和洗出期间采集的谐波信号幅度，通过tic处理器计算每个像素位置处的对比度强度的曲线，如美国专利公开us 2011/0208061(chang)中所描述的。然后通过tic处理器将曲线转换成优选的显示参数，诸如瞬时造影剂灌注、峰值造影剂灌注或灌注速率。针对roi中的所选择的位置的特定时间-强度曲线也可以由图形处理器26图形地显示。对于参数灌注图像，roi中的每个像素位置处的每个曲线的期望参数被应用于图形处理器26中的颜色图查找表，其中，参数被转换为对应的颜色值。例如，颜色可
以是如针对彩色流成像所做的颜色范围的那些颜色。然后将所得到的一个或多个颜色参数图叠加在解剖学上对应的b模式或对比度图像上，这产生灌注的参数图像。图像被耦合到显示处理器40，显示处理器40在图像显示器42上单独地或与来自b模式处理器的对比度图像或b模式图像并排地显示参数图像。
20.根据本发明的原理，图1的超声系统具有对比度计时器50，其跟踪从造影剂的注射或从造影剂的团到达roi起所经过的时间，后者可通过检测来自roi的回波信号的谐波内容的增加来自动检测。时间量度被耦合到改变控制器52，改变控制器52在造影剂注入期间的一个或多个时间处构成系统操作的一个或多个改变。备选地，改变控制器可以由用户在观察到预定事件(诸如时间-强度曲线的峰)时致动。以这种方式，通过改变控制器的操作使系统操作的期望改变发生，所述期望改变在造影剂洗入、洗出的预定时段期间优化用于成像的系统。改变控制器耦合到发射控制器28以实现超声发射操作的期望改变；耦合到波束形成器30以实现波束形成操作的期望改变；耦合到信号处理器24以实现信号处理的期望改变；并且耦合到对比度图像处理器38以实现对比度图像处理的期望改变。通过对比度计时器和改变控制器的操作，使得对比度成像流程期间的系统操作的改变自动发生，而不需要临床医生将他的注意力从超声图像转移，因为造影剂在其洗入和洗出阶段中被施加到身体并穿过身体。
21.在图2中示出了使用图1的系统来优化对比度增强成像流程的一个示例。在该实例中，正在检查形成的病变的脉管系统中的血流。由于馈送病变的血管中的流速将大于灌注周围正常实质的微脉管系统的流速，并且这些更大血管中的造影剂的流动将在洗入、洗出循环中比实质灌注更早发生，因此系统被优化为对早期高速流动敏感。在流程的步骤60中，开始将造影剂注入到对象的血流中。临床医生按压控制面板20上的按钮，这在步骤62中启动对比度计时器50。在造影剂注入的起始处，在步骤64中设置系统以在由对比度图像处理器进行的图像处理中包括基频信号分量。当正在通过脉冲反转技术执行非线性信号分离时，重要的是在图像场中存在很少或没有运动，使得从两个发射事件返回的回波是互补的。但是当回波从流动的血液返回时，由于运动而不是这种情况，并且然后脉冲反转过程实际上充当双脉冲运动检测器。这对于检测病变的血管中的血流是理想的，并且因此系统此时被设置为将基频频带中的这些运动敏感信号应用于对比度图像处理器，以用于对该血流运动进行成像。对比度图像处理器在该时间期间还可以被调节以操作为多普勒检测器，从而产生用于成像的血管中的流速的量度。由对比度图像处理器38产生速度图像，其叠加由b模式处理器36产生的组织图像以描绘血管中的血流速度，其在步骤68中被显示给临床医生。以这些方式，在该时间处超声系统被调节为对馈送病变的血管中的相对高速的血流敏感。
22.随着造影剂的注入继续，造影剂将开始在实质的微脉管系统以及病变的血管中流动。为了最佳地产看两个造影剂区，对比度计时器50在洗入、洗出循环中的稍后时间触发改变控制器52以改变图像处理。到对比度图像处理器38的改变命令在步骤64中结束由对比度图像处理器对基波信号的使用，其现在利用来自非线性信号分离器32的谐波信号产生对比度图像，如由步骤66所示。在该时间处，实质将用谐波对比度信号点亮。谐波对比度图像现在在步骤68中被显示给临床医生，并且血管流动和实质灌注两者现在能够由临床医生观察。系统优化的这种改变在造影剂注入过程中的预定时间自动发生，而不需要在观察连续改变的对比度图像时分散临床医生操纵任何控制面板控件的注意力。
23.在图3中示出了使用图1的系统来优化对比度增强成像流程的另一示例。先前已经描述了步骤60、62和68。在该第二示例中，超声系统初始地被调节为对高血流速度检测敏感，如步骤70中所示。特别地，图像噪声降低努力被最小化，特别是使用时间处理进行噪声降低的那些努力。因此，可以在没有时间模糊的情况下观察高速流动中的帧到帧改变，诸如造影剂到达更大血管中。当造影剂稍后在洗入、洗出循环中已经到达感兴趣区域的所有区并且已经开始稳定时，改变控制器52在步骤72中起始改变以进行更大的降噪处理，使得可以清楚地观察到实质中的相对静止的微泡。这可以例如通过命令发射控制器28、波束形成器30和信号处理器24在空间上复合多幅图像以减少图像中的散斑噪声来完成。另一示例是命令由信号处理器对连续图像的持续性处理的起始。在注入过程的该较后阶段，系统被优化以使实质灌注更清晰。
24.在图4中示出了使用图1的系统来优化对比度增强成像流程的另一示例。在该示例中，超声系统初始地以更低的发射脉冲频率开始成像，如步骤80所示。由发射控制器28和换能器阵列102对更低脉冲频率的使用引起更大的共振，并且因此引起来自造影剂的更大微泡的更大回波信号返回。例如，将预期更大的微泡在病变的更大血管中流动。在肝脏诊断中，与其中血液已被肺过滤并且主要仅保留更小的微泡的门静脉阶段期间的静脉血流相比，预期直接来自心脏的动脉流中会有更大的微泡。更低发射频率的优化使得动脉流能够更容易地与对比度增强肝脏检查中的门静脉流区分开。
25.当对比度计时器已经达到对比度流程的预定时间时，改变控制器52使发射控制器28改变为使用更高的发射脉冲频率，如步骤82所示。更高的脉冲频率将与造影剂的更小微泡最强烈地共振。例如，这将优化用于对实质中的造影剂进行成像的超声系统，其中，微脉管系统太细以致于不能允许更大的微泡通过。其还将朝向在肝脏检查期间对门静脉流的更优成像优化系统，其中，血流将主要由更小的微泡填充。在该示例中，改变控制器正在改变系统的发射信号处理。
26.图5中示出了再次通过发射控制使用图1的系统来优化对比度增强成像流程的另一示例。在该示例中，超声系统初始被调节为在洗入、洗出循环的初始部分期间发射更短的脉冲(更少的循环)，如步骤90所示。当roi中的对比度流速相对高并且正在由对比度图像处理器执行速度检测时，短发射脉冲的使用非常适合于造影剂团的初始到达。稍后在循环的洗出阶段中，在实质已经被灌注并且流速更低之后，通过使用更长的发射脉冲来提高低流量检测的灵敏度，如步骤92所示。改变控制器52引起由发射控制器28改变为在洗入、洗出循环的较后部分期间使用更长的发射脉冲，以获得图像中更大的流灵敏度。
27.图6中示出了使用图1的系统来优化对比度增强成像流程的另一示例。在该示例中，超声系统初始被调节为通过在洗入阶段期间使用更高的显示帧速率来最佳地对对比度流的快速变化进行成像，如步骤100所示。这使得能够在造影剂团到达roi的血管中时对roi中的造影剂的快速积聚进行更清楚的成像。其还可以在肝脏对比度成像流程期间提供更清晰的动脉流图像。在流程的洗出阶段期间，不再存在造影剂的快速积聚，而是roi中的造影剂的浓度的缓慢下降。对于该阶段，改变控制器52命令超声系统的发射、接收和信号处理部件改变到更低的显示帧速率，如步骤102所示，其非常适合于roi中更缓慢改变的状况。例如，更低的帧速率可以换取更好的空间分辨率(通过增加线密度)或更长的气泡持续时间(通过减少每秒发射事件的数量)。
28.本领域技术人员将容易想到其他变化和修改，例如，可以组合示例中所示的不同改变。例如，图6的方法的帧速率改变也可以与如图4和5所图示的发射脉冲频率或长度的改变以及如图3所示的更多噪声降低的起始组合。由改变控制器调用的改变不必是瞬时的，而是可以是随时间逐渐发生的更慢的过渡改变。在具有tic处理器34的实施方式中，可能用由tic处理器产生的时间-强度曲线代替对比度计时器，其中，系统操作的改变与由时间-强度曲线所界定的时间、持续时间或流动事件有关。因此，系统操作的改变可以响应于洗入、洗出循环的事件而发生，诸如造影剂洗入的峰的发生。可以被调用以改进诊断性能的对接收信号路径的其他改变包括：在洗出期间的增益/tgc增加以改进信号灵敏度；洗出期间的动态范围减小以改进信号显著性；以及在洗出期间的图像处理算法改变，以考虑与在动脉阶段期间通常遇到的单气泡响应相比较的后期阶段中气泡响应的扩散性质。
29.应当注意，采集对比度回波信号数据并对其进行处理以形成优化对比度图像的超声系统并且特别是图1的超声系统的部件结构可以以硬件、软件或其组合来实施。超声系统的各种实施例和/或部件(例如，模块或其中的部件和控制器)也可以被实施为一个或多个计算机或微处理器的部分。计算机或处理器可以包括计算设备、输入设备、显示单元以及接口，例如，用于访问因特网的接口。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以被连接到通信总线以例如访问存储先前采集的对比度图像的pacs系统。计算机或处理器还可以包括存储器。存储器设备(诸如存储针对改变控制器52的预定改变时间的存储器)可以包括随机存取存储器(ram)和只读存储器(rom)。计算机或处理器还可以包括存储设备，所述存储设备可以是硬盘驱动器或可移除存储驱动器，诸如软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等。存储设备还可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似单元。
30.如本文中所使用的，术语“计算机”或“模块”或“处理器”可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器，精简指令集计算机(risc)，asic，逻辑电路的系统，以及能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理器。以上示例仅是示例性的，并且因此不旨在以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。
31.计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的一组指令，以便处理输入数据。存储元件还可以根据期望或需要存储数据或其他信息。存储元件可以是处理机器内的信息源或物理存储元件的形式。
32.包括上面描述的造影数据的采集和时间-强度曲线和参数的计算的超声系统的指令集可以包括各种命令，所述各种命令指示计算机或处理器作为处理机器以执行诸如本发明的各种实施例的方法和过程的特定操作。指令集可以是软件程序的形式。所述软件可以是各种形式(例如，系统软件或应用软件)并且可以被实现为有形和非瞬态计算机可读介质。此外，所述软件可以是单独程序或模块的集合，较大程序内的程序模块或程序模块的部分的形式。所述软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。由处理机器对输入数据的处理可以对操作者命令做出响应，或者对先前处理的结果做出响应，或者对由另一处理机器做出的请求做出响应。
33.此外，以下权利要求的限制不是用功能模块架构的格式写的，并且不打算基于35u.s.c.112第六段来解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于
……
的模块”，然后是没有进一步结构的功能声明。